Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МАНГАНИТОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для определения концентрации соединений в твердой фазе существует несколько способов, основанных на различных физических процессах. Наиболее распространенным является рентгенофазовый анализ (РФА), осуществляемый с помощью рентгеновских дифрактометров. При таком способе концентрацию соединений, находящихся в исследуемом материале определяют по интенсивности рентгеновских лучей, отраженных от различных узлов кристаллических решеток этого материала в целом или его составляющих [1].

Другим способом прямого определения концентрации соединений в твердой фазе является вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС). При таком способе концентрацию соединений, находящихся в исследуемом материале определяют по интенсивности пиков в масс-спектрах, соответствующих элементам, входящим в эти соединения. Исследуемый материал в установках ВИМС распыляют в вакууме пучком ионов (чаще всего ионов инертных газов) и с помощью масс-спектрометра анализируют типы и концентрацию распыленных атомов, молекул или конгломератов [2].

Следующим способом прямого определения концентрации соединений в твердой фазе является Оже электронная спектроскопия, основанная на эффекте, открытом в 1925 году французским ученым Оже. Эффект заключается в испускании электронов (помимо квантов) при переходах электронов с высоких электронных оболочек на более низкие в атоме. Поскольку каждому химическому элементу свойственна своя система электронных оболочек, то по распределению регистрируемых электронов по энергии с помощью энергоанализаторов, и по концентрации электронов, регистрируемых с помощью микроамперметров, определяют типы и концентрацию элементов в анализируемом материале [3].

Известен и широко применяется спектрофотометрический способ определения концентрации соединений в твердой фазе. Он заключается в помещении в жидкость данного соединения, измерении спектров пропускания как самой жидкости, так и раствора с этим соединением. По полученным значениям коэффициента пропускания на определенных длинах волн рассчитывается оптическая плотность, строится графическая зависимость оптической плотности от концентрации соединения. Затем по этой зависимости для конкретного вещества определяется значение концентрации по результатам измерения оптической плотности [4].

Для осуществления данного способа требуется спектрофотометр, включающий монохроматор, дифракционные решетки, источник света и фотоприемник на необходимый диапазон спектра, блоки питания источника света и фотоприемника, микроамперметр для измерений тока фотоприемника. Самым дорогостоящим элементом спектрофотометра является монохроматор.

Если синтезированное или природное соединение содержит несколько составляющих - смесь компонентов, то для определения концентрации каждой составляющей данным способом градуировку необходимо проводить по каждой составляющей на определенном спектральном участке или при определенной длине волны излучения. Затем, сопоставляя градуировки для каждой составляющей, определить их концентрацию. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Спектры отражения манганитов редкоземельных элементов такие, что в области 500-600 нм регистрируется минимум коэффициента отражения (Фиг. 1), обусловленный полосой поглощения электронов (переходами Mn⁴⁺→Mn³⁺) при образовании твердых растворов типа LaMnO₃, LaSrMnO₃, LaCaMnO₃ [5, 6]. Величина провала - значение коэффициента отражения является характеристикой концентрации соединений МРЭ. Поэтому, регистрируя значение коэффициента отражения в этой области, можно определить по градуировочной зависимости концентрацию МРЭ.

В предлагаемом способе определения концентрации манганитов редкоземельных элементов (МРЭ), так же, как и в прототипе, используется источник света и фотоприемник на необходимый диапазон спектра, блоки питания источника света и фотоприемника, микровольтметр для измерений тока фотоприемника. В отличие от прототипа, вместо дорогостоящего монохроматора с дифракционными решетками, предназначенными для выделения излучения определенной длины волны с целью записи спектра, используется ртутная лампа с линейчатым спектром излучения и набор из трех стеклянных светофильтров, позволяющих вырезать (убрать) все линии излучения, кроме линии 546 нм. В таком наборе могут быть светофильтры ОС-11, ПС-7 и СЗС-21.

Целью изобретения является устройство, содержащее все перечисленные элементы схемы за исключением монохроматора. Схема устройства показана на Фиг. 2, работа которого заключается в том, что на ртутную лампу РЛ из блока питания БП-1 подается напряжение, излученный лампой свет в виде отдельных линий попадает на набор светофильтров СФ, состоящий из светофильтров ОС-11, ПС-7 и СЗС-21, в котором вырезаются все линии излучения, кроме линии 546 нм. Это излучение через фокусирующую линзу Л1 попадает на исследуемый образец О. Отраженный от образца пучок направляется на фокусирующую линзу Л2 и далее на фотоприемник в видимой области спектра типа ФЭУ-74, или ФЭУ-118, или ФЭУ-176, питание которого осуществляется с блока БП-2. Зарегистрированный микровольтметром MkV ток ФЭУ в виде падения напряжения на калибровочном сопротивлении пропорционален интенсивности пучка света с длиной волны 546 нм и коэффициенту отражения исследуемого образца МРЭ. По величине коэффициента отражения с использованием градуировочной зависимости определяется концентрация РЗЭ в исследуемом образце.

Для получения зависимости концентрации соединений МРЭ от коэффициента отражения на длине волны 546 нм проводили экспериментальные исследования. Для этого в различных режимах синтеза (температура и время прогрева, концентрация ионов стронция) получали различную концентрацию редкоземельного элемента LaSrMnO₃. Концентрацию LaSrMnO₃ определяли методом РФА на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD 6000, коэффициент отражения на длине волны 546 нм спектрофотометром Perkin Elmer Lambda 950. Строили зависимость коэффициента отражения на длине волны 546 нм от концентрации соединения LaSrMnO₃, которая оказалась линейной (Фиг. 3). По этой зависимости, измеряя величину коэффициента отражения на длине волны 546, можно определить концентрацию МРЭ в различных порошках, керамиках или природных минералах.

Источники информации

1. Физические методы исследования неорганических веществ / Под ред. А.Б. Никольского. М.: Академия, 2006, 444 с.

2. Михайлов M.М. Радиационное и космическое материаловедение. Издательство Томского университета, Томск, 2008, 440 с.

3. З. Марченко, М. Бальцежак. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе. Пер. с пол. А.В. Гармаша. Издательство: Бином Лаборатория знаний, 2009, 711 с.

4. Карлсон Т. Фотоэлектронная и оже-спектроскопия, пер. с англ., Л., 1981; Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. / пер. с англ., под ред. В.И. Раховского, М., 1981. 435 с.

5. G. Tang, Y. Yu, Y. Cao and W. Chen, The thermochromic properties of Lal-xSrxMnO3 compounds, Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 92, pp. 1298-1301, 2008.

6. K. Takenaka, K. Iida, Y. Sawaki, S. Sugai, Y. Moritomo and A. Nakamura, Optical Reflectivity Spectra Measured on Cleaved Surfaces of Lal-xSrxMnO₃: Evidence against Extremely Small Drude Weight, Journal of the Physical Society of Japan, vol. 68, pp. 1828-1831, 1999.